2017, Vol. 41
20世纪70年代末Blackmon（1976）和Blackmon et al.（1977）发现，北半球中纬度的天气尺度（2.5~6 d）瞬变涡动活动在北半球太平洋和大西洋上空呈现两个极大值区，分别定义为北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴。风暴轴不仅与每日天气图上气旋和反气旋的生消密切相关，对局地天气变化产生直接影响，而且由于风暴轴能引起强烈地向极热量、动量和水汽输送，因此对大尺度的大气环流维持以及天气气候变化，也具有重要影响。最近Shaw et al.（2016）回顾了风暴轴方面的有关研究工作，着重强调了风暴轴对天气和气候都具有重要影响，并且在全球变暖背景下，由于二氧化碳浓度增加导致的一系列热力学变化使得风暴轴的强度和位置发生了变化，并对北半球的温度和降水产生了显著的影响。因此，研究北半球风暴轴异常，特别是两大风暴轴的协同变化及其机理，对深入理解大尺度大气环流和天气气候的异常机理，提高对短期气候变化的认识和预测水平，具有重要的科学意义和应用价值。
近年来，对北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的研究取得了丰富的成果。国内外学者对两大洋风暴轴的基本时空分布特征已有了深入的认识（Lau, 1978, 1988；Lau and Wallace, 1979；Chang and Orlanski, 1993；朱伟军和孙照渤, 1999, 2000；Chang and Fu, 2002，2003；任雪娟和张耀存，2007；朱伟军和李莹, 2010；Lee et al., 2012; Chang and Yau, 2016）。风暴轴与北半球大尺度平均气流之间的波流相互作用也受到了广泛关注，研究表明北太平洋风暴轴异常变化受到热带和北太平洋海温异常的影响，这种影响与大气平均气流及各类遥相关型存在密切联系。自Lau（1988）较早发现风暴轴月际变化的主要空间模态与大气低频环流变化的遥相关型存在密切联系以来，人们从季节、年和年代尺度上，对风暴轴与急流、北大西洋涛动（NAO）和太平洋北美型遥相关型（PNA）等环流异常之间的联系进行了大量研究，认识得到了进一步加深。董丽娜和张福颖（2013）在探讨瞬变波动力强迫作用对初夏至盛夏急流北跳以及急流中心西移的影响时发现，瞬变波的动力强迫作用有利于急流北跳的发生，但不利于急流中心西移的发生。袁凯等（2015）通过对北太平洋东部地区的研究，指出北太平洋东部地区的位置变化与同期PNA遥相关型、太平洋西部型（WP）以及海表面温度异常存在显著相关。任雪娟等（2007）通过经验正交函数分解研究了冬季北太平洋风暴轴的异常特征，并且进一步分析了与风暴轴空间异常型相关的冬季大气平均气流异常和海表面温度异常的空间耦合型。研究表明，西风急流与风暴轴异常关系密切，任雪娟和张耀存（2007）发现海表加热异常可能引起大尺度平均气流异常，从而改变中纬度大气斜压性，导致瞬变扰动异常，后者则通过动力过程对冬季太平洋上空西风急流起到维持作用。任雪娟等（2010）的研究表明，对于冬季东亚副热带急流和东亚温带急流，较弱的东亚温带急流伴随着活跃的北支天气尺度瞬变扰动，这种异常信号东传入海后可通过瞬变和大尺度环流的热力和动力反馈过程影响北太平洋气候异常。对于北大西洋风暴轴，曾鼎文等(2015a, 2015b)通过定义风暴轴的经度指数，分析了冬季北大西洋风暴轴东西变化特征及其能量平衡差异，并且指出风暴轴的经度指数与西伯利亚高压的纬度、强度及面积指数显著相关。此外，还有许多学者把两大洋风暴轴各自的年际分量或年代际分量分离出来进行了分别的研究（朱伟军和孙照渤，2000；朱伟军和李莹，2010；王娜和孙照渤，2014；周星研等，2015）。
虽然Chang（2004）利用探空资料和再分析资料对包括700 hPa向极热通量在内的涡动方差场进行分析后指出，北半球两大洋风暴轴之间可能存在一定的相关性。但是，以上分析表明，目前对于北半球两大洋风暴轴的研究主要集中在北太平洋和北大西洋风暴轴各自的时空特征及其与大气环流的关系方面，而系统地阐述两大洋风暴轴之间可能存在的协同变化特征及其机理，尤其是这种协同变化性在年际尺度和年代际尺度上有何异同？以及将两大洋风暴轴作为一个整体考虑其与海气系统的空间耦合关系如何？这些问题目前还都不十分清楚。因此，本文将重点对不同时间尺度下冬季北半球两大洋风暴轴之间的协同变化特征及其与同期海气系统的空间耦合关系进行探讨。
2 资料与方法 2.1 资料所用资料有：（1）NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的再分析资料，包括逐月的海平面气压场（p）和温度场（T），逐月和逐日的高度场（z）和风场（u, v），垂直层数为17层，水平分辨率为2.5°×2.5°，覆盖时间为1949年1月至2015年12月；（2）海温资料取自NOAA（美国海洋和大气管理局），水平分辨率为1°×1°，覆盖时间为1854年1月至2015年12月。为统一起见，文中各物理量场的分析时段均取为：1960年1月至2015年2月；冬季则定义为：当年12月至下一年2月三个月的时间平均。
2.2 方法为研究冬季北半球两大洋风暴轴的协同变化特征且结果不受到无关地区的影响，本文选取（30°N~70°N，100°W~0°）和（30°N~60°N，120°E~120°W）两个区域的500 hPa位势高度天气尺度滤波方差场来分别表示北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴，并将以上两个区域作为一个整体联合起来进行EOF分析。
对每个格点来讲，其原始天气尺度滤波方差（以下简称滤波方差）采用31点对称数字滤波器（孙照渤，1992）滤得，即首先从逐日原始资料中直接滤出2.5~6 d的瞬变涡动，然后，以每月为一段对每一段各自计算其方差得到每月的月平均，最后，取冬季三个月平均得到每年冬季的天气尺度滤波方差（亦即风暴轴）。其年际分量和年代际分量，则利用谐波分析方法（覃军和王盘兴，2005）对55年冬季风暴轴样本（即原始位势高度滤波方差）进行时间尺度分离，根据时间长度55年和傅立叶变换原理，前6波的合成表示周期大于9年的慢变分量，第7~27波的合成表示周期小于9年的快变分量，因此定义第1~6波和第7~27波的合成分别表示风暴轴的年代际分量和年际分量。
此外，后文在分析海气耦合关系时还应用了合成分析、回归分析以及显著性检验等气象统计方法，原理详见Storch and Zwiers（1999）。
3 时间序列所揭示的北半球两大洋风暴轴的协同变化特征为考察风暴轴整体强度和位置的时间变化，参考李莹等（2010）的定义方法，选取固定区域内每年冬季500 hPa位势高度滤波方差大于等于一定固定阈值的所有格点，将这些格点所对应的滤波方差的平均值定义为该年风暴轴的强度指数，并将这些格点所对应的经度的平均和纬度的平均分别定义为该年风暴轴的经度指数和纬度指数。其中，北大西洋风暴轴和北太平洋风暴轴的固定阈值分别取为20 dagpm2和16 dagpm2，区域分别为（30°N~70°N，100°W~0°）和（30°N~60°N，120°E~120°W）。同理，利用2.2节所述的时间尺度分离方法，可以进一步得到两大风暴轴位置和强度各项指数的年际分量和年代际分量。
图 1为冬季北半球两大洋风暴轴的气候平均场及其上述各项指数的标准化时间序列。对比两大洋风暴轴的气候平均场（图 1a和图 1e）可以发现：大西洋风暴轴（AST, Atlantic Storm Track）主体位于（35°N~70°N，90°W~0°），呈东北—西南走向，瞬变扰动最大可以达到40 dagpm2以上；太平洋风暴轴（PST, Pacific Storm Track）主体位于（35°N~60°N，125°E~122.5°W），沿纬圈几乎横跨整个中纬度太平洋地区，跨度大于AST，轴线大体呈东—西走向，强度中心位于风暴轴西部，最强可以达到24 dagpm2以上，强度明显小于AST，这与引言文献中的相关研究结果（朱伟军和李莹, 2010）一致。
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图 1 冬季北大西洋风暴轴（左列）和北太平洋风暴轴（右列）的气候平均场（等值线，单位：dagpm2）及各指数标准化的原始（条柱）及其年际分量（虚线）和年代际分量（实线）的时间序列：（a、e）气候平均场；（b、f）纬度指数；（c、g）经度指数；（d、h）强度指数。图中百分数为年际分量和年代际分量所占方差贡献 Figure 1 Spatial distributions of the climatological mean (contours, units: dagpm2) of northern AST (Atlantic storm track, left) and northern PST (Pacific storm track, right) and the standardized time series (original, bars; annual, dashed lines; decadal, solid lines) of indexes: (b, f) Latitude index; (c, g) longitude index; (d, h) intensity index. The percentages indicate the variance contributions of the interannual and interdecadal components |
由图 1还可以看出，两大洋风暴轴AST和PST的强度和位置均存在明显的年际和年代际变化特征，并且各个指数的年际分量的方差贡献都明显大于年代际分量。对于纬度指数（图 1b和图 1f），AST在20世纪60年代初期开始由北向南移动，20世纪60年代末期开始转为向北移动，20世纪80~90年代AST始终处于偏北位相，21世纪开始为偏南位相；PST在20世纪70年代中期以前年代际分量变化平稳，20世纪70年代中期至80年代中期风暴轴位置偏南，近十年PST位于气候平均态偏北位相；纬度指数年际分量的方差贡献是AST三个指数中最大的，AST纬度指数的年际与年代际分量之比约为3:1。对于经度指数（图 1c和图 1g），AST的经度指数与纬度指数存在较为一致的变化趋势，但经度指数存在更为显著的年代际变化，年际和年代际分量比值约为2:1；PST从20世纪70年代中期开始经纬度指数才表现出较为一致的变化趋势，这与李莹等（2010）的研究一致，但PST经度指数的年代际分量所占方差贡献在各指数年代际分量中最小，只有19%左右。强度变化（图 1d和图 1h）方面，AST强度变化与纬度变化趋势相似；PST强度指数变化趋势与经度指数趋势相反，且年代际分量的方差贡献在PST三种指数中最大，约为36%。
为考察两大洋风暴轴的协同变化特征，表 1给出了冬季北大西洋风暴轴和北太平洋各风暴轴指数之间的相关系数值。由表 1可以看出，对于单个风暴轴各自指数之间的相关关系：在原始滤波方差序列中，两大洋风暴轴各自的经向和纬向位置变化的正相关性显著，即均存在一致的东北或西南走向的移动趋势，此外，PST的强度指数还与经度指数呈一定的负相关关系，AST的强度指数则与两个位置指数均呈一定的正相关关系；而在年际尺度和年代际尺度上，AST和PST各自的经、纬度指数之间也均为显著的正相关，此外，在年际尺度上，PST的强度与经度指数表现为显著的负相关性，在年代际尺度上，AST三种指数间的正相关性均十分显著，而PST的强度指数与经度指数之间的相关系数虽然达-0.25，但未通过显著性检验，这与原始序列结果相似。
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表 1 冬季北半球两大洋各风暴轴指数之间的相关关系 Table 1 Correlation coefficients between indices of AST and PST in winter |
对于两大洋风暴轴各指数之间的相关关系：在原始序列中，AST与PST之间各风暴轴指数之间均没有显著的相关关系；在年际尺度上，仅有两者的强度指数为显著正相关，其他指数之间并未表现出显著的相关关系；在年代际尺度上，AST与PST之间纬度指数呈显著负相关，PST的强度指数分别与AST的两个位置指数之间均呈显著负相关。
以上分析表明，从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看：三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化，其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量；对于单个风暴轴来讲，无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列，每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关，表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性；虽然从原始序列来看，两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著，但是对于年际分量序列和年代际分量序列，两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化，其中，在年际尺度上，两者仅强度变化之间具有显著的正相关，而在年代际尺度上，AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。
4 EOF分解所揭示的冬季北半球两大洋风暴轴的协同变化特征从上节所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看，两大洋风暴轴之间确实在不同时间尺度上均存在显著的协同变化特征，为了研究这种协同变化在空间上的分布特征，本节利用谐波分析（覃军和王盘兴，2005）方法对冬季500 hPa位势高度滤波方差场的年际分量和年代际分量分别进行了经验正交函数（EOF）分解，EOF分解区域为（30°N~70°N, 100°W~0°）和（30°N~60°N，120°E~120°W）两个区域的联合，其年际尺度和年代际尺度的EOF分解结果分别如图 2和图 3的所示。在年际尺度上（图 2），两大洋风暴轴EOF联合分解后前两个模态的解释方差分别为12.1%、12.0%，两模态之间解释方差非常接近，表明冬季两大洋风暴轴的协同变化特征存在多种表现形式，这里主要讨论前两模态的异常特征。图 2表明：在第一模态空间特征向量场（EOF1）上，北大西洋存在北正、南负两个异常中心，零线较AST气候平均位置偏北，气候平均AST的中西部基本位于负异常区，而东部则位于正负异常区中间；而北太平洋主要表现为负异常，气候平均PST主体基本位于负异常区域，与AST类似，其东部也位于正负异常区中间。在第二模态空间特征向量场（EOF2）上：北大西洋存在北正、南负两个异常中心，整体上气候平均AST基本位于正异常区域，负异常区位于AST气候平均位置东南侧；而北太平洋气候平均PST的中西部位于正异常区域，但其东部在南北向存在正负正异常中心。
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图 2 年际尺度的500 hPa位势高度滤波方差EOF分析的第一模态（左）、第二模态（右）的（a、d）北大西洋风暴轴和（b、e）北太平洋风暴轴特征向量场及其对应的（c、f）时间序列。图a、b、d、e中阴影为特征向量场，等值线（间隔：4 dagpm2）为风暴轴气候平均位置（AST和PST分别绘制出大于20 dagpm2和16 dagpm2） Figure 2 Spatial patterns of northern (a, d) AST and (b, e) PST and (c, f) corresponding normalized coefficients for the first EOF mode (left column) and the second EOF mode (right column) of the interannual component of the 500-hPa filtered geopotential height variance during winter. Shaded areas indicate spatial patterns of eigenvector, contours (interval: 4 dagpm2) indicate the climatological mean winter storm tracks in the North Atlantic (North Pacific) with values greater than 20 dagpm2 (16 dagpm2) |
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图 3 同图 2，但为冬季风暴轴的年代际尺度 Figure 3 As in Fig. 2, but for the interdecadal components of wintertime storm tracks |
为考察EOF分析结果与第3节时间序列所揭示的北半球两大洋风暴轴协同变化特征的一致性，这里计算了表 1中两大洋风暴轴各项年际分量指数（对应于表 2和表 3中的“整体”部分）与EOF分解的时间系数（PC1和PC2）之间的相关系数（列于表 2和表 3）。值得注意的是，已有研究表明，风暴轴从西到东各区域的时空变化特征存在一定的差异（朱伟军等，2013；王娜和孙照渤，2014；袁凯等，2015；周星研等，2015），为了进一步分析这种差异，这里还将每年冬季每个风暴轴区域在纬向上等分为西部、中部和东部三个部分，采用与第3节类似的方法，分别定义了各区域相应的风暴轴的强度指数和位置指数（分别对应于表 2和表 3中的“西部”、“中部”和“东部”三个部分），并计算了其与EOF分解的时间系数（PC1和PC2）之间的相关系数（列于表 2和表 3）。由于东西位置变化在EOF分解中表现并不明显，因此表 2和表 3仅列出了风暴轴的强度指数和纬度指数与EOF分解的时间系数（PC1和PC2）之间的相关系数。
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表 2 大西洋各区域风暴轴指数年际分量与年际尺度EOF分析的时间系数（PC1、PC2）的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between the interannual component of indices over different areas of AST and time coefficients (PC1, PC2) of the EOF modes at interannual scale |
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表 3 太平洋各区域风暴轴指数年际分量与年际尺度EOF分析的时间系数的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between the interannual component of indices over different areas of PST and the time coefficients of the EOF modes at interannual scale |
由表 2和表 3可以看出，对整体风暴轴而言，PC1与AST和PST强度之间的相关系数分别为-0.21和-0.64，负相关性基本显著，正好对应于EOF1中AST和PST整体的强度一致减弱，而PC2与AST和PST强度之间（相关系数分别为0.72和0.47）均呈显著正相关，正好对应于EOF2中AST和PST整体的强度一致增强，这与第3节时间序列所揭示的北半球两大洋风暴轴的强度指数之间为显著正相关的结果是一致的。值得注意的是，PC1和PC2还与AST纬度之间存在显著的正相关，正好对应于EOF1中AST整体偏北减弱和EOF2中AST整体偏北增强。对各分区风暴轴而言，“中部”和“西部”的结果与“整体”的结果基本一致，而“东部”的结果有所不同，PC1还与PST纬度之间呈显著正相关（0.28），正好对应于EOF1中PST东部北正南负。
因此，在年际尺度上，与第3节时间序列所揭示的北半球两大洋风暴轴的协同变化特征一致的是，EOF分析结果也反映的主要是强度的协同变化，而且EOF分析结果还进一步给出了其空间变化特征，即第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压），第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）。
在年代际尺度上，两大洋风暴轴前两个模态的解释方差分别为23.6%、16.8%。
图 3表明：第一模态下，北大西洋空间向量场在气候平均位置北侧有一个正异常区，南侧基本为负异常区，北太平洋空间向量场分布同样呈现经向对称的形态，但表现为南正北负，零线较PST气候平均位置轴线偏南；时间序列（图 3e）中，20世纪60年代初期为正位相，20世纪60年代中期至20世纪70年代后期转为负位相，20世纪70年代后期至20世纪80年代中期及整个20世纪90年代均表现为正位相，21世纪开始基本处于负位相。第二模态下，两大洋风暴轴气候平均位置均位于正异常中心；时间系数为整个20世纪60年代为负位相，20世纪70年代为正位相，20世纪80年代初左右存在短暂负位相过渡，20世纪80年代中期至21世纪初为正位相，然后存在约10年的振荡期，近10年表现为负位相。
与年际分量的讨论类似，表 4和表 5给出了北半球两大洋风暴轴各指数年代际分量与EOF时间序列的相关系数。由表 4和表 5所示，PC1与两大洋风暴轴纬度指数及中东部强度指数均显著相关，但符号相反，其中AST和PST整体纬度指数与PC1相关系数高达0.9和-0.76，说明在这一模态下主要为风暴轴纬度变化之间的协同关系，其次是强度变化，当时间序列为正系数对应AST整体北抬中东部增强，PST整体南压中东部减弱，反之，负时间系数时AST整体南亚中东部减弱，PST整体北抬中东部增强。在第二模态中，PC2与两大洋风暴轴所有的强度指数相关性均显著，与PST西部纬度指数为负相关，说明这一模态主要体现两大洋风暴轴强度之间的一致性变化，当时间系数为正时，AST和PST两者的强度同时增强，负时间系数时则两者同时减弱。其中，风暴轴整体部分的结果与第3节时间序列所揭示的北半球两大洋风暴轴年代际分量的位置和强度指数之间相关关系的结果是一致的。
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表 4 大西洋各区域风暴轴指数年代际分量与年代际尺度EOF分析的时间系数的相关系数 Table 4 Correlation coefficients between the interdecadal component of indices over different areas of AST and time coefficients of the EOF modes at interdecadal scale |
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表 5 太平洋各区域风暴轴指数年代际分量与年代际尺度EOF分析的时间系数的相关系数 Table 5 Correlation coefficients between the interdecadal component of indices over different areas of PST and time coefficients of the EOF modes at interdecadal scale |
以上分析表明，在年代际尺度上：第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化；第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。因此，在年代际尺度上两大洋风暴轴之间协同变化的空间结构同时反映了位置和强度的变化。
图 4为原始位势高度滤波方差场EOF联合分解的结果，前两个模态的方差贡献分别为13.4%和12.0%。图 4表明，两大洋风暴轴在第一模态空间特征向量场上均表现为正负异常中心位于气候平均位置南北两侧，北大西洋表现为北正南负，北太平洋恰恰相反，表现为北负南正，两大洋风暴轴气候平均位置的中西部位于正负异常中心之间，东部则分别位于正、负异常区域，这说明在这一模态下，两大洋风暴轴为南北位置的反方向移动并伴随东部强度的反向变化。当时间系数（图 4c）为正时，AST北抬伴随东部增强，PST则南压伴随东部减弱，时间系数为负时则相反。在第二模态下，北大西洋存在西、东两个正值中心，但整个异常区基本位于风暴轴气候平均位置，北太平洋存在一个正异常中心，中心位于PST气候平均强度中心附近，正异常区域与PST气候平均位置相对应，该模态体现了两大洋风暴轴强度的同步变化趋势，说明正时间系数（图 4f）时，两大洋风暴轴强度均有增强，反之两者强度同时减弱。
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图 4 同图 2，但为风暴轴原始的位势高度滤波方差场 Figure 4 As in Fig. 2, but for the original filtered geopotential height variances of wintertime storm tracks |
以上分析表明，风暴轴之间的协同变化主要体现在两个模态上，虽然已有研究表明AST和PST各自的异常空间结构均存在两个主要模态，并且这两个模态分别体现风暴轴的位置及在气候平均位置附近的强度变化（Rogers, 1997; 朱伟军和孙照渤，2000；朱伟军和李莹，2010；张颖娴等，2012），但这种异常结构明显区别于两者之间的协同性变化特征。结合年际尺度和年代际尺度来看，这种协同变化在年际尺度上主要反映强度的变化，而在年代际尺度上则同时反映了位置和强度的异常变化。因此，原始位势高度滤波方差场EOF分解的第一模态表现型主要由年代际分量贡献，而第二模态表现型则是年际分量和年代际分量综合贡献的结果。
5 风暴轴协同变化与同期冬季海气系统的空间耦合关系及其可能影响研究表明，冬季北太平洋风暴轴与500 hPa上的PNA型和WP型关系密切（朱伟军和孙照渤，2000），与高空急流核相互配置（Carillo et al., 2000），与黑潮海温及ENSO紧密联系（任雪娟等，2007）。北大西洋风暴轴被指出与北极涛动（AO）及北大西洋涛动（NAO）等低频环流联系密切（周星妍等，2015）。冬季北半球两大洋风暴轴之间各时间尺度的协同变化关系是否与这些低频变化及海温异常有关呢？为研究这一问题，本节分别对年际、年代际尺度上进行回归分析，并讨论风暴轴的协同变化与冬季海气系统的空间耦合关系以及可能造成的影响。
5.1 年际尺度风暴轴协同变化与冬季海气系统的耦合关系图 5为年际尺度EOF分解前两个模态时间序列回归的500 hPa位势高度滤波方差、500 hPa位势高度、海平面气压、200 hPa纬向风、850 hPa气温、1000 hPa气温和海表面温度异常空间分布。图 5表明，第一模态下时间尺度回归的滤波方差异常场（图 5a）与第一模态空间特征向量场分布相似，北太平洋风暴轴区域为显著的负异常中心，北大西洋风暴轴区有一对北正南负的异常中心，可以看出，在年际尺度上，500 hPa高度异常场（图 5b）上欧洲大陆至北太平洋上空有一对以50°N为界北正南负的纬向正负异常中心，负异常区中心位于北太平洋上空，表现为太平洋西部型（WP）的正位相，时间序列回归的海平面气压异常场（图 5c）上，欧亚大陆中高纬至北太平洋为纬向正异常区，太平洋北部为负异常中心，异常中心位于40°N附近，在这种深厚的环流异常影响下，气旋性和反气旋性异常中心之间为异常东风，气旋性异常南侧为与东亚急流气候平均位置相对应的西风异常，这与冬季温带急流的第一模态相对应，任雪娟等（2010）指出，在这一模态下北半球大尺度环流异常主要集中在欧亚中高纬地区，这与本文分析一致。时间序列回归的200 hPa纬向风异常场（图 5d）上北太平洋存在显著的三极子分布特征，这种分布型与图 5b中北太平洋上的位势高度异常中心相对应。研究表明，急流与风暴轴之间相互影响，东亚急流增强时对应PST减弱（Nakamura et al., 2002），同时在对流层中高层，风暴轴的异常强迫作用也有助于WP遥相关型的形成和维持（杨国杰等，2010）。因此当PST强度减弱东部北抬时，对应阿留申低压减弱，西太平洋副热带高压减弱，东亚大槽南部为负异常，使其南伸至低纬，欧亚大陆北部的西伯利亚高压南移，配合经向环流的加强，有利于西伯利亚冷空气的南下和欧亚大陆南部暖湿空气的向北输送，使整个欧亚大陆以55°N为界形成了北暖南冷的分布型（图 5f）。与此同时，图 5b中在北大西洋上空50°N附近的中高纬地区、30°N附近的中低纬地区分别有一个正负异常中心，分界线为东北—西南走向，这一对正负异常区与欧洲上空40°N附近的负异常中心组成了大西洋东部型（EA）的正位相，研究表明，当AST位置偏北时对应EA遥相关型（Lau, 1988；Athanasiadis et al., 2010），这与本文结果一致。回归的海平面气压异常场（图 5c）上，副热带大西洋上空的负异常中心减弱，大西洋上空冰岛低压强度减弱。图 5d中所体现的大西洋附近呈三极子分布型的风场特征与高度场相对应。根据Fan and Yang（2017）的分析，当EA遥相关型发生时，西伯利亚地区气旋异常减少或反气旋的异常增多，从而使得西伯利亚地区温度异常升高，而东亚地区温度异常降低。
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图 5 年际尺度的500 hPa位势高度滤波方差EOF分析的第一模态（左列）和第二模态（右列）时间序列回归的（a、h）500 hPa位势高度滤波方差异常（单位：dagpm2）、（b、i）500 hPa位势高度场异常（单位：gpm）、（c、j）海平面气压异常（单位：hPa）、（d、k）200 hPa纬向风异常（单位：m s-1）、（e、l）850 hPa气温异常（单位：℃）、（f、m）1000 hPa气温异常（单位：℃）、（g、n）海表面温度异常（单位：℃）的空间分布型。打点区域表示通过95%信度水平的检验 Figure 5 Regressions of PC1 (left column) and PC2 (right column) of EOF modes of the 500-hPa filtered geopotential height variance at interannual scale on (a, h) 500-hPa filtered geopotential height variance anomalies (units: dagpm2), (b, i) 500-hPa geopotential height anomalies (units: gpm), (c, j) sea level pressure anomalies (units: hPa), (d, k) 200-hPa zonal wind anomalies (units: m s-1), (e, l) 850-hPa temperature anomalies (units: ℃), (f, m) 1000-hPa temperature anomalies (units: ℃), and (g, n) sea surface temperature anomalies (units: ℃). Dotted areas represent the values significant above the 95% confidence level |
另一方面，在回归的海表面温度异常场（图 5g）中可以明显看到热带太平洋中东部海温异常降低。施能和朱乾根（1993）指出冬季强WP型（阿留申低压和西太平洋副热带高压同时减弱）与赤道中东太平洋海温异常降低有良好的对应关系。通过显著性检验的海温异常区还有我国南海至中南半岛南部和靠近美洲大陆的副热带大西洋的海温负异常中心，中纬度大西洋海温为正异常但未通过显著性检验，徐海明等（2000）指出，冬季副热带大西洋海温变化与EA遥相关型对应，这一结论与本文结果一致。说明海温异常对北半球温度异常分布的形成也有一定贡献。
第二模态回归的滤波方差异常场（图 5h）与第二模态特征向量的空间分布基本一致，两大洋风暴轴主体均位于正异常中心，且北大西洋异常中心明显强于北太平洋。回归的500 hPa高度异常场（图 5i）和海平面气压异常场（图 5j）可以明显看出，整个北半球高纬度地区为负异常，中纬度异常中心则集中在大西洋上空，对应大西洋副热带高压减弱，冰岛低压加强，为NAO的正位相，对流层中高层大西洋东部中高纬与副热带位势高度之间反相关，与欧洲上空的位势高度正相关，对应EA的正位相。此时，纬向风异常场（图 5k）与高度异常场相对应，异常中心也表现在大西洋上空，由北至南呈现正—负—正的三极子型，北美急流减弱。北大西洋东南海区的海温异常降低，根据Czaja and Frankignoul（2002）的研究，中纬度大西洋海温异常与NAO遥相关型密切相关，当北大西洋海温表现为纽芬兰岛以南的40°N附近异常偏暖，南北两侧异常偏冷时，对应同期大气对流层中高层为NAO正位相。在这种海气耦合关系下，两大洋风暴轴的异常主要影响区域主要集中在北美、大西洋及欧洲附近，北美大陆西南部及北大西洋中纬度地区温度异常升高，北美大陆东北部及欧洲南部的中纬度地区温度异常降低，贝加尔湖附近及其以北的中高纬地区有弱的正异常中心，但未通过显著性检验。
5.2 年代际尺度风暴轴协同变化与冬季海气系统的耦合关系图 6为年代际尺度EOF时间序列回归的环流异常场及海表面温度异常场，在第一模态时间序列回归的滤波方差异常场（图 6a）中，两大洋异常中心分布与EOF空间场相似，在北太平洋上为北负南正，风暴轴主体偏向负异常中心，北大西洋为北正南负，南侧的负异常中心偏西，此时风暴轴的协同变化表现为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱），PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）。此时，回归的500 hPa位势高度异常场（图 6b）上，中高纬东西向贝加尔湖附近、北太平洋、阿拉斯加、北美东岸、西欧沿岸及乌拉尔山以西分别存在正—负—正—负—正—负的异常中心，这些异常中心分别对应冬季西风带上的三槽三脊，这有利于气候平均态上平均槽脊的增强，也有利于中纬度地区经向环流加强，高纬度的负异常区说明极涡增强收缩，使得冷空气禁锢在高纬不易南下。此外，阿留申地区的负异常中心与副热带太平洋的正异常中心、北美西北部的正异常中心以及美国东部的负异常组成了PNA的正位相，太平洋西北部位势高度降低，西南部位势高度增强，对应WP的正位相，大西洋西部上空则对应西大西洋型（WA）的负位相。回归的海平面气压异常场（图 6c）上，中纬度北大西洋和北太平洋上分别有显著的海盆形状的海平面气压正负异常区域，对应亚速尔高压和阿留申低压强度的增强，其中亚速尔高压附近的海平面气压正异常和高纬度冰岛低压的海平面气压负异常与NAO的正位相对应。此时，两大洋上空纬向风异常场（图 6d）为三极子分布型，高纬地区西风异常增强，40°N附近西风异常减弱，不利于极地冷空气南下，但却有利于热带的温暖空气北上至西伯利亚地区，使得西伯利亚地区升温，亚洲南部温度则异常降低。同时，东亚急流气候平均位置及其下游出口区位于正异常中心，北美急流则位于大西洋上空正负异常之间的零线附近偏向负异常一侧，这种分布有利于东亚急流强度增强，北美急流减弱并向北移动，周星妍等（2015）也指出冬季大西洋风暴轴偏向东北或西南异常时对应北美急流的向北或向南移动。
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图 6 同图 5，但为年代际尺度的异常分布 Figure 6 As in Fig. 5, but for anomalous distributions at the interdecadal scale |
图 6g为回归的海表面温度异常场，图中北美西海岸及热带中东太平洋地区海温异常偏高，而太平洋中部海温异常偏低，与太平洋年代际振荡（PDO）暖位相对应，研究表明（朱益民和杨修群，2003），PDO暖位相时，对应阿留申低压和蒙古高压增强，我国西南、华南地区气温偏低。以往的研究表明PDO暖位相和El Niño现象都有利于激发或加强PNA遥相关型。北大西洋30°N附近的副热带海域海表面温度异常升高，其北侧格陵兰岛以南及其南侧的热带地区海表面温度异常降低，其中格陵兰岛以南地区表现为显著异常，徐海明等（2000）则指出中纬度西北太平洋海温异常与WA遥相关型对应。PC1回归的温度异常场（图 6e、f）可以看出，新地岛及其以北的高纬度地区为负异常中心，欧亚大陆北部的大部分地区温度异常升高，我国华南、西南地区至里海南部以及鄂霍茨克海附近温度异常降低，北美大陆则为西暖冬冷的分布型。根据对环流异常和海温异常的分析，说明在这一模态下海温的异常强迫使得位势高度场异常，并引起风场调整，从而进一步对两大洋风暴轴产生影响，最终引起北半球温度异常变化。
由第二模态时间系数回归的环流异常场及海表面温度异常场（图 6h–n）可以看出，当北半球两大洋风暴轴强度同时增强时，时间序列回归的500 hPa高度异常场（图 6i）和海平面气压异常场（图 6j）均表现为乌拉尔山向东至北太平洋地区以50°N为界呈北负南正的偶极子型分布，北美大陆东部至北大西洋同样呈这种偶极子分布，此时蒙古高压和阿留申低压加深北移，30°N附近的副热带高压增强，对应WP的负位相，大西洋西部的冰岛低压与副热带高压之间位势高度的反向相关组成了WA的负位相，在海平面气压异常场中二者位势高度的这种反相关形成了NAO遥相关型的正位相。回归的纬向风异常场（图 6k）中可以看出，两大洋基本以40°N为界呈北正南负的偶极子型分布，说明当两大洋风暴轴强度同时增强时，东亚急流和北美急流同时北抬。海平面温度异常场（图 6n）中日本以南30°N附近的黑潮及其延伸区附近海温异常升高，北太平洋中部异常降低，表明这一模态与黑潮及其延伸区海温密切相关，北大西洋40°N以北和20°N以南海区有强烈的负异常中心。温度异常场（图 6l和图 6m）表明当两大洋风暴轴强度同时增强时，乌拉尔山以西的北欧和欧洲南部分别为正负异常中心，欧亚大陆上自贝加尔湖向东南方向至日本以南地区温度异常升高，而北太平洋其他地区温度异常降低，大西洋方面，冰岛及美国东部地区温度显著降低。以上分析说明，年代际尺度下风暴轴和急流的异常特征同样受到不同地区海温异常作用影响，从而导致温度的异常变化。
5.3 年际和年代际尺度EOF分解的时间序列与大气环流指数和海温指数间的关系为进一步证实5.1和5.2节的讨论结果，表 6计算了部分大气环流指数以及海温指数与各EOF分解时间序列之间的相关系数。其中，北大西洋涛动指数（NAO）和太平洋年代际振荡指数（PDO）取自美国气候预报中心（CPC）的计算结果，太平洋西部型指数（WP）、西大西洋型指数（WA）、大西洋东部型指数（EA）和太平洋北美型指数（PNA）根据Wallace and Gutzler（1981）定义的遥相关型指数计算得到，厄尔尼诺3区指数（NINO3）为（5°N~5°S，150°W~90°W）区域内海表面温度的平均值，阿留申低压指数（AL）的定义是取（30°N~65°N，160°E~140°W）区域内海平面气压的区域平均（Trenberth and Hurrell, 1994），黑潮海温指数（HC）的定义是取（15.5°N~32.5°N，120.5°E~150.5°E）区域内海表面温度的平均值代表，东亚急流（EAJ，East Asia Jet Stream）和北美急流（NAJ，North American Jet Stream）指数的定义为在规定范围内每一经度上500 hPa纬向风最大值所在纬度的平均值为纬度指数（EAJY、NAJY），最大纬向风的平均值为强度指数（EAJI、NAJI），其中NAJ范围为（25°N~65°N, 100°W~0°），EAJ范围为（20°N~50°N，100°E~140°W）。
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表 6 各大气、海温指数与各时间系数的相关系数 Table 6 Correlation coefficients between atmospheric/oceanic indices and time coefficients (PCs) of EOF |
需要说明的是，因为以上这些指数大多都同时具有年际变化和年代际变化特征，并且对风暴轴的年际变化和年代际变化都具有重要影响，因此，在此处相关系数的计算中没有再对这些指数分别滤出其年际分量和年代际分量。
由表 6可以看出，两大洋风暴轴之间的协同变化与北半球大气环流及海温的异常有密切的关系，其中年际尺度上的时间序列与各指数间的相关系数说明：当风暴轴的协同变化表现为AST偏北偏弱、PST偏弱东部偏北时，对流层中高层对应WP和EA遥相关型正位相，东亚急流轴附近西风加剧，太平洋海温对应La Niña现象；当两大洋风暴轴同时增强伴随AST北抬时，海平面气压场对应NAO遥相关型正位相，对流层中高层对应EA遥相关型的正位相。年代际结果表明：第一模态时间系数与WP、WA、PNA、AL、NAO、PDO显著相关，即当风暴轴呈现AST偏北中东部增强、PST偏南中东部减弱这种配置时，阿留申低压增强，海平面气压场为NAO正位相，500 hPa呈现PNA、WP正位相、WA负位相，东亚急流增强，北美急流向北移动，海温方面对应PDO暖位相；第二模态时间序列与WP、WA、NAO指数显著相关，与HC虽然未通过显著性检验，但相关系数达到0.23，即当两大洋风暴轴同时增强时，海平面气压场对应NAO正位相，对流层中高层对应WP、WA负位相，北美急流北抬，黑潮及其附近海域海温异常升高。
以上分析结果与5.1和5.2节所讨论的结果基本一致，但与各环流指数相比，海温指数与时间序列的相关性并不十分显著，其原因可能是海温异常对北半球风暴轴气候异常的作用不是那么直接，而是主要通过引起低频变化等环流异常而产生的间接影响，因为大量的研究均表明，海温异常的外部强迫作用对大尺度环流内部的风、压场和斜压性的调整具有重要作用，因此也必然对北半球两大洋风暴轴的协同变化产生重要影响。
6 结论基于1960~2014年NCEP/NCAR提供的逐日再分析资料、NCPC提供的海温资料和大气环流及海洋指数，通过风暴轴指数、经验证交分解（EOF）等方法，研究了冬季北半球北太平洋风暴轴（PST）和北大西洋风暴轴（AST）之间不同时间尺度下的协同变化特征，并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合之间的关系进行了探讨。主要结论如下：
（1）从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看：三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化，其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量；对于单个风暴轴来讲，无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列，每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关，表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性；虽然从原始序列来看，两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著，但是对于年际分量序列和年代际分量序列，两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化，其中，在年际尺度上，两者仅强度变化之间具有显著的正相关，而在年代际尺度上，AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。
（2）EOF结果表明：两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化，第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压），第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）；而在年代际尺度上，第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化，第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。
（3）在年际尺度上，当风暴轴的协同变化表现为AST偏北偏弱PST偏弱东部偏北时，对流层中高层对应WP和EA遥相关型正位相，东亚急流轴附近西风加剧，北美急流减弱南压，东亚大槽南伸至低纬，欧亚大陆北部的西伯利亚高压南移，配合经向环流的加强，有利于西伯利亚冷空气的南下和欧亚大陆南部暖湿空气的向北输送，使整个欧亚大陆形成了北暖南冷的分布型。海温异常场中的La Niña现象和副热带大西洋海温负异常分别与WP和EA遥相关型对应。而当两大洋风暴轴同时增强伴随AST北抬时，环流异常主要体现在大西洋及北美地区附近，海平面气压场冰岛低压增强，对应NAO遥相关型正位相，对流层中高层对应EA遥相关型的正位相，北美急流减弱，北大西洋东南部海区海温异常降低，同期北美大陆西南部及北大西洋中纬度地区温度异常升高，北美大陆东北部及欧洲南部的中纬度地区温度异常降低，贝加尔湖附近及其以北的中高纬地区温度略有升高。
（4）在年代际尺度上，当风暴轴呈现AST偏北中东部增强、PST偏南中东部减弱时，北半球平均槽脊增强，经向环流增强，极涡收缩，呈现NAO正位相，500 hPa高度场上平均槽脊增强，呈现PNA、WP正位相、WA负位相，东亚急流增强，北美急流减弱并向北移动，使得高纬冷空气禁锢在极地，热带暖空气北上。海温异常表现为PDO暖位相，在这种海气耦合关系作用下，欧亚大陆北部的大部分地区温度异常升高，我国华南、西南地区至里海南部以及鄂霍茨克海附近温度异常降低，新地岛及其以北的高纬度地区为负异常中心，北美大陆则为西暖冬冷的分布型。而当两大洋风暴轴同时增强时，蒙古高压、阿留申低压增强，海平面气压场显示为NAO正位相，对流层中高层对应WP、WA负位相，东亚急流、北美急流同时北抬，黑潮及其附近海域海温异常升高，此时乌拉尔山以西的北欧、欧亚大陆上自贝加尔湖向东南方向至日本以南地区温度异常升高，欧洲南部、冰岛及美国东部地区温度显著降低。
需要指出的是，对于北半球两大洋风暴轴的协同变化特征，为了检验本文所使用的NCEP/ NCAR资料所得结果是否稳定，还利用欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的ERA-Interim资料进行了同样的分析，对比后发现结果一致。此外，对于冬季北半球两大洋风暴轴的协同变化与同期海气系统之间的耦合关系，本文仅进行了初步的诊断分析，具体的影响机制和机理分析还有待进一步研究。
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